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[摘 要]作者根据云南香格里拉普朗铜矿及红山多金属铜矿的概况（矿区位于滇西北著名的横断山脉东北部，属高山峡谷区，为青藏雪域高原南缘部分，地势总体较高，海拔3600—4500米），收集和整理了在高海拔矿区的岩层情况和施工特点。在高海拔矿区对专用金刚石钻头的应用，是通过钻头样品制作与室内实验，即采用正交法和优选法设计和制作了几种型号的钻头样品。
[关键词]高海拔矿区 专用金刚石钻头 新钻进工艺方法
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）47-0002-02
1矿区概貌及施工特点
1.1矿区概述
云南香格里拉普朗铜矿、红山多金属铜矿位于阿尔卑斯-喜马拉雅褶皱带的雅鲁藏布江挤压褶皱带南延段，冈底斯—念青唐古拉褶皱系，伯舒拉岭—高黎贡山褶皱带。处于印度板块与青藏板块强烈挤压、碰撞，断裂、褶皱构造发育，具高地应力集中，岩浆侵入活动频繁，变质作用强烈的云南“山”字型构造体系西反射弧顶端，与青藏、滇缅、印尼“歹”字巨型构造体系交接复合的部位。矿区位于滇西北著名的横断山脉东北部，属高山峡谷区，为青藏雪域高原南缘部分，地势总体较高，海拔3600—4500米；相对高差达300—1300米；属高山中切割地区。地形总体西倾，东高西低，局部地段险峻，形成悬崖陡壁，地质队钻探施工的区域均在海拔4100米左右。
1.2施工特点
该矿区海拔4100米左右，高寒地区由于海拔高度偏高，天气寒冷，气压低，空气稀薄，含氧量少，动力设施的发动机进气量不足而燃烧条件变差，造成发动机功率下降，烟色变差，燃油耗增加等，形成对钻机实际有效功率的下降，钻机操作人员体力消耗大，劳动效率也下降，钻进效率降低，生产周期增加，生产成本也增加。
该区钻探施工的技术重点和难点是：克服坚硬打滑岩层带来的小时效率低下和提高生钻探施工生产效率。因此地质队在这些矿区的钻探施工中一是采用了以金刚石绳索取芯钻进为主的金刚石体系钻进，配以低固相或无固相泥浆进行孔壁维护及润滑，并适当采用一定量的技术套管作破碎层的技术隔离，以确保专用金刚石钻头发挥其最大效能。二是采用了定切入量钻进方法以提高坚硬打滑岩层的钻进小时效率。
2专用金刚石钻头的研制与应用
2.1专用金刚石钻头的设计思路
传统金刚石钻头的钻进主要还是以压入后磨削破碎为主，体积破碎为辅。因此专用金刚石钻头的设计重点是如何在设备能力下降的条件下，提高体积破碎的几率，从而提高机械钻进速度；此外考虑到采用绳索取芯钻进，为了保证其钻进辅助时间少的优势，必须保证一定的钻头寿命，否则仅提高机械钻进速度，台月效率也无法保证。因此，与传统钻头相比我们采取了如下措施：金刚石的总量保持不变，以保证钻头的寿命；采用大颗粒金刚石和高包镶把持力的胎体，以提高金刚石出刃高度和容屑空间；采用永久性多凹槽唇面结构，以保证适当减少钻头的孔底接触面积，提高局部的压入力和提供利于产生体积破碎的岩石应力释放自由面；加强钻头的内外保径能力，减少钻进中扩孔器的扩径厚度和消耗的能量，利于集中钻机的能量到钻头唇面上。
2.2钻头样品制作与室内实验
根据上述思路，采用正交法和优选法设计和制作了几种型号的钻头样品，在模拟钻头总压力比传统钻头压力少15%的条件下钻进，并与传统钻头在正常工艺下钻进对比，在其余条件相同的情况下，选取一种机械钻进速度和磨损速度均与传统钻头接近的型号作为批量生产的标准。
2.3金刚石钻头实际使用效果
近几年，我们一直使用多种规格的专用钻头，均取得了比较满意的效果。具体效果见下表一。
从表中可见，使用专用金刚石钻头钻进施工，得到了平均48.2%的纯钻率，岩芯采取率高达98.7%，优质孔率也达到了82.4%。
3优化钻进-定切入量钻进方法的应用
“优化钻进”即采用合理的参数达到理想钻进效果的方法，这种钻进方法可通过多方途径到达，但最优化的钻进效果应根据施工区域实际的地质情况合理选择钻头参数及操作方法来达到。速控钻进、定切入量钻进等是实现优化钻进的具体表现。
3.1定切入量钻进的可行性分析
根据施工岩层状况以及地质队常规钻进采用的钻头形式，钻杆强度等情况分析认为：矿区主要地层均属火山岩类岩层，岩石结构致密，部分岩层硅化程度极强，给提高钻进速度带来极大困难，采用常规钻头钻进受钻杆强度制约及钻头唇面积大的影响，一般压力钻进达不到对岩石产生体积破碎的目的。较大的压力钻进回转阻力过大，钻杆易断，因此给采用控速钻进提高钻进速度带来了安全隐患。但从定切入量钻进靠增加比压值达到钻进目的的操作原理可知。
比压值关系式为：P=Q/F （千克/厘米2）
式中：P-比压值（千克/厘米2）
Q-轴心压力（千克）
F-钻头底唇面积（厘米2）
由于比压值关系式看出：钻进比压值是由轴心压力Q和钻头底唇面积F两个可变量确定的，当钻进施加压力Q不变时，比压值P可随钻头唇面积减小，同样可以达到增加钻头对岩石的比压值目的，根据这一原理，技术员在采用常规钻头钻进（以下简称常规钻进）坚硬岩层获得小时效率较低的情况下，选用了经过改进的特殊钻头进行定切入量方法钻进（以下简称特定钻进）坚硬岩层的生产实践，从获得的基础数据来看基本上达到了提高小时效率目的，这种特殊钻头与常规钻头相比有如下优点，即：特殊钻头与岩石的接触面积较常规钻头减少34%，也就是说在钻进压力不变的条件下，比压值在常规钻头比压值的基础上了提高51%，这样就给采用定切入量钻进工作提供了可靠的必要条件。
3.2生产实践
定切入量钻进试验在该矿区的钻孔施工中，钻进岩石为黑云母花岗岩，由于岩石硅化强力，钻头打滑现象较为严重，采用“常规钻进”方法轉速达不到要求，造成钻进小时效率比较低，因此选择了“特定钻进”方法（定切入量钻进）进行施工试验，现将试验情况介绍如下： 3.3试验前提
在钻孔的施工中采用“常规钻进”方法钻进黑云母花岗岩（岩石可钻性8-10级，石英含量约40-50%，研磨性较弱）小时效极低，伴随有“打滑”现象时有出现，使钻孔的施工工作无法正常实施，后来我们改用“特定钻进”方法，经过精心操作顺利穿过了这一类坚硬的打滑岩石。
3.4取得效果
试验采用“特定钻进”方法施工，原计划台月效率达到250m，小时效率达0.50米/小时，钻头寿命达15米/每个以上。经投入70个钻头的使用情况来看：累计144.6天（4.82台月数）的时间共进尺1809.60米、获得台月效率375.43米、小时效率0.92米/时、钻头寿命达到25.85米/个，比原计划台月效率提高125.24米，小时效率提高0.42米/时，钻头寿命提高10.85米/个。同类型岩层采用常规钻进方法，经统计投入钻头50个，377.25天（12.575台月数）的时间共进尺1509.00米，获得台月效率120米，小时效率0.33米/时，钻头寿命30.18米/个。“特定钻进”与“常规钻进”效果比较见表2：
3.5试验过程
钻进选用转速为“常规钻进”转速（181转/分钟），根据岩石选择的每转切入量是50 微米，钻进压力开始采用800千克，比压值为40.8千克/平方厘米，小时效率达0.4米/时左右，每转的切入量仅为37微米；将钻进压力改为1000-1200千克时，比压值为56-67千克/平方厘米，小时效率达0.60米/时，此时每转的切入量仅为55微米；而当钻进压力增加到1500千克时，比压值达到76.5千克/平方厘米，此时小时效率为1.10米/ 时，每转切入量是84微米，但此时钻头已变形，由于大压力钻进时间短，钻杆未受损坏。
从钻进操作过程来看，通过调整钻压可获得不同的钻进效果，当钻压过小时钻头磨料处于持续钝化过程，产生的钻进效果不佳；当使用过大的钻进压力时虽能使钻头产生钝化—锐化—再钝化—再锐化的交变过程，获得好的钻进效果，但在极为复杂的岩层中钻进，受钻杆以及特殊钻头强度限制未能采用，因此，我们选定的钻进压力是1000～1200千克，该压力值与“常规钻进”压力值基本一致，所获得的效果基本上达到了预期目的。
4结论
（1）研制的高海拔矿区专用金刚石钻头设计思路正确，采用的措施得当。
（2）高海拔矿区专用金刚石钻头和新工艺方法结合使用，取得了比较满意的综合效果。
（3）为进一步发挥“定切入量钻进”方法的优越性，必须寻求较佳的钻头参数，提高钻头耐压强度和寿命，以降低钻探费用。
参考文献
[1]楼日新；袁学武；；适合溪洛渡地层条件的金刚石钻头的研制[A]；探矿工程（岩土钻掘工程）技术.与可持续发展研讨会论文集[C]；2003年.
[2]冯国强；日本利根钻探公司金刚石钻头胎体成分和性能[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年03期.
[3]王贵和；金刚石钻头转速与寿命的关系[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年02期.
[4]隋宗俊；苏联液动冲击钻进用冲击器[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年01期.
[5]沈世雄，樊冀安，王顺学，刘勇武；电铸金刚石钻头胎體的研究[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年02期.
[关键词]高海拔矿区 专用金刚石钻头 新钻进工艺方法
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）47-0002-02
1矿区概貌及施工特点
1.1矿区概述
云南香格里拉普朗铜矿、红山多金属铜矿位于阿尔卑斯-喜马拉雅褶皱带的雅鲁藏布江挤压褶皱带南延段，冈底斯—念青唐古拉褶皱系，伯舒拉岭—高黎贡山褶皱带。处于印度板块与青藏板块强烈挤压、碰撞，断裂、褶皱构造发育，具高地应力集中，岩浆侵入活动频繁，变质作用强烈的云南“山”字型构造体系西反射弧顶端，与青藏、滇缅、印尼“歹”字巨型构造体系交接复合的部位。矿区位于滇西北著名的横断山脉东北部，属高山峡谷区，为青藏雪域高原南缘部分，地势总体较高，海拔3600—4500米；相对高差达300—1300米；属高山中切割地区。地形总体西倾，东高西低，局部地段险峻，形成悬崖陡壁，地质队钻探施工的区域均在海拔4100米左右。
1.2施工特点
该矿区海拔4100米左右，高寒地区由于海拔高度偏高，天气寒冷，气压低，空气稀薄，含氧量少，动力设施的发动机进气量不足而燃烧条件变差，造成发动机功率下降，烟色变差，燃油耗增加等，形成对钻机实际有效功率的下降，钻机操作人员体力消耗大，劳动效率也下降，钻进效率降低，生产周期增加，生产成本也增加。
该区钻探施工的技术重点和难点是：克服坚硬打滑岩层带来的小时效率低下和提高生钻探施工生产效率。因此地质队在这些矿区的钻探施工中一是采用了以金刚石绳索取芯钻进为主的金刚石体系钻进，配以低固相或无固相泥浆进行孔壁维护及润滑，并适当采用一定量的技术套管作破碎层的技术隔离，以确保专用金刚石钻头发挥其最大效能。二是采用了定切入量钻进方法以提高坚硬打滑岩层的钻进小时效率。
2专用金刚石钻头的研制与应用
2.1专用金刚石钻头的设计思路
传统金刚石钻头的钻进主要还是以压入后磨削破碎为主，体积破碎为辅。因此专用金刚石钻头的设计重点是如何在设备能力下降的条件下，提高体积破碎的几率，从而提高机械钻进速度；此外考虑到采用绳索取芯钻进，为了保证其钻进辅助时间少的优势，必须保证一定的钻头寿命，否则仅提高机械钻进速度，台月效率也无法保证。因此，与传统钻头相比我们采取了如下措施：金刚石的总量保持不变，以保证钻头的寿命；采用大颗粒金刚石和高包镶把持力的胎体，以提高金刚石出刃高度和容屑空间；采用永久性多凹槽唇面结构，以保证适当减少钻头的孔底接触面积，提高局部的压入力和提供利于产生体积破碎的岩石应力释放自由面；加强钻头的内外保径能力，减少钻进中扩孔器的扩径厚度和消耗的能量，利于集中钻机的能量到钻头唇面上。
2.2钻头样品制作与室内实验
根据上述思路，采用正交法和优选法设计和制作了几种型号的钻头样品，在模拟钻头总压力比传统钻头压力少15%的条件下钻进，并与传统钻头在正常工艺下钻进对比，在其余条件相同的情况下，选取一种机械钻进速度和磨损速度均与传统钻头接近的型号作为批量生产的标准。
2.3金刚石钻头实际使用效果
近几年，我们一直使用多种规格的专用钻头，均取得了比较满意的效果。具体效果见下表一。
从表中可见，使用专用金刚石钻头钻进施工，得到了平均48.2%的纯钻率，岩芯采取率高达98.7%，优质孔率也达到了82.4%。
3优化钻进-定切入量钻进方法的应用
“优化钻进”即采用合理的参数达到理想钻进效果的方法，这种钻进方法可通过多方途径到达，但最优化的钻进效果应根据施工区域实际的地质情况合理选择钻头参数及操作方法来达到。速控钻进、定切入量钻进等是实现优化钻进的具体表现。
3.1定切入量钻进的可行性分析
根据施工岩层状况以及地质队常规钻进采用的钻头形式，钻杆强度等情况分析认为：矿区主要地层均属火山岩类岩层，岩石结构致密，部分岩层硅化程度极强，给提高钻进速度带来极大困难，采用常规钻头钻进受钻杆强度制约及钻头唇面积大的影响，一般压力钻进达不到对岩石产生体积破碎的目的。较大的压力钻进回转阻力过大，钻杆易断，因此给采用控速钻进提高钻进速度带来了安全隐患。但从定切入量钻进靠增加比压值达到钻进目的的操作原理可知。
比压值关系式为：P=Q/F （千克/厘米2）
式中：P-比压值（千克/厘米2）
Q-轴心压力（千克）
F-钻头底唇面积（厘米2）
由于比压值关系式看出：钻进比压值是由轴心压力Q和钻头底唇面积F两个可变量确定的，当钻进施加压力Q不变时，比压值P可随钻头唇面积减小，同样可以达到增加钻头对岩石的比压值目的，根据这一原理，技术员在采用常规钻头钻进（以下简称常规钻进）坚硬岩层获得小时效率较低的情况下，选用了经过改进的特殊钻头进行定切入量方法钻进（以下简称特定钻进）坚硬岩层的生产实践，从获得的基础数据来看基本上达到了提高小时效率目的，这种特殊钻头与常规钻头相比有如下优点，即：特殊钻头与岩石的接触面积较常规钻头减少34%，也就是说在钻进压力不变的条件下，比压值在常规钻头比压值的基础上了提高51%，这样就给采用定切入量钻进工作提供了可靠的必要条件。
3.2生产实践
定切入量钻进试验在该矿区的钻孔施工中，钻进岩石为黑云母花岗岩，由于岩石硅化强力，钻头打滑现象较为严重，采用“常规钻进”方法轉速达不到要求，造成钻进小时效率比较低，因此选择了“特定钻进”方法（定切入量钻进）进行施工试验，现将试验情况介绍如下： 3.3试验前提
在钻孔的施工中采用“常规钻进”方法钻进黑云母花岗岩（岩石可钻性8-10级，石英含量约40-50%，研磨性较弱）小时效极低，伴随有“打滑”现象时有出现，使钻孔的施工工作无法正常实施，后来我们改用“特定钻进”方法，经过精心操作顺利穿过了这一类坚硬的打滑岩石。
3.4取得效果
试验采用“特定钻进”方法施工，原计划台月效率达到250m，小时效率达0.50米/小时，钻头寿命达15米/每个以上。经投入70个钻头的使用情况来看：累计144.6天（4.82台月数）的时间共进尺1809.60米、获得台月效率375.43米、小时效率0.92米/时、钻头寿命达到25.85米/个，比原计划台月效率提高125.24米，小时效率提高0.42米/时，钻头寿命提高10.85米/个。同类型岩层采用常规钻进方法，经统计投入钻头50个，377.25天（12.575台月数）的时间共进尺1509.00米，获得台月效率120米，小时效率0.33米/时，钻头寿命30.18米/个。“特定钻进”与“常规钻进”效果比较见表2：
3.5试验过程
钻进选用转速为“常规钻进”转速（181转/分钟），根据岩石选择的每转切入量是50 微米，钻进压力开始采用800千克，比压值为40.8千克/平方厘米，小时效率达0.4米/时左右，每转的切入量仅为37微米；将钻进压力改为1000-1200千克时，比压值为56-67千克/平方厘米，小时效率达0.60米/时，此时每转的切入量仅为55微米；而当钻进压力增加到1500千克时，比压值达到76.5千克/平方厘米，此时小时效率为1.10米/ 时，每转切入量是84微米，但此时钻头已变形，由于大压力钻进时间短，钻杆未受损坏。
从钻进操作过程来看，通过调整钻压可获得不同的钻进效果，当钻压过小时钻头磨料处于持续钝化过程，产生的钻进效果不佳；当使用过大的钻进压力时虽能使钻头产生钝化—锐化—再钝化—再锐化的交变过程，获得好的钻进效果，但在极为复杂的岩层中钻进，受钻杆以及特殊钻头强度限制未能采用，因此，我们选定的钻进压力是1000～1200千克，该压力值与“常规钻进”压力值基本一致，所获得的效果基本上达到了预期目的。
4结论
（1）研制的高海拔矿区专用金刚石钻头设计思路正确，采用的措施得当。
（2）高海拔矿区专用金刚石钻头和新工艺方法结合使用，取得了比较满意的综合效果。
（3）为进一步发挥“定切入量钻进”方法的优越性，必须寻求较佳的钻头参数，提高钻头耐压强度和寿命，以降低钻探费用。
参考文献
[1]楼日新；袁学武；；适合溪洛渡地层条件的金刚石钻头的研制[A]；探矿工程（岩土钻掘工程）技术.与可持续发展研讨会论文集[C]；2003年.
[2]冯国强；日本利根钻探公司金刚石钻头胎体成分和性能[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年03期.
[3]王贵和；金刚石钻头转速与寿命的关系[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年02期.
[4]隋宗俊；苏联液动冲击钻进用冲击器[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年01期.
[5]沈世雄，樊冀安，王顺学，刘勇武；电铸金刚石钻头胎體的研究[J]；探矿工程（岩土钻掘工程）；1980年02期.